Refleksjon og brytning forklart: speil og Snells lov

Lys som stråler

I det meste av hverdagsoptikken behandler vi lys som stråler: rette linjer med en pil som viser retningen lyset beveger seg i. Denne strålemodellen fungerer godt når gjenstander er mye større enn lysets bølgelengde, noe som gjelder speil, linser og vanlige skygger. Den ser bort fra bølgeeffekter som diffraksjon, så den er en tilnærming, men en svært nyttig en.

Én idé gjør alle diagrammer korrekte. Vinkler måles fra normalen, en tenkt linje som står vinkelrett på overflaten i punktet der strålen treffer. Å måle fra selve overflaten i stedet er den vanligste måten å få feil svar på.

Refleksjonsloven

Når en stråle treffer en glatt overflate, spretter den av med samme vinkel som den kom inn i:

θᵢ = θᵣ

Den innkommende strålen, den utgående strålen og normalen ligger alle i samme flate plan. Det er hele loven, og den gjelder nøyaktig for et glatt speil.

Hva et flatt speil gjør med et bilde

Et planspeil lager et virtuelt bilde. Øyet ditt følger de reflekterte strålene bakover i rette linjer og finner ut at de ser ut til å komme fra et punkt bak speilet, like langt bak som gjenstanden er foran. Det kommer ikke faktisk noe lys derfra, og derfor kan du ikke projisere bildet på en skjerm.

Bildet er like stort som gjenstanden, men snudd foran-bak, slik at høyre hånd ser ut som venstrehånden til dobbeltgjengeren din. Sett sammen to speil i rette vinkler, så får du et periskop: Hvert speil følger den samme loven, og sammen styrer de lyset rundt en vegg.

Hvorfor lys bøyes: brytningsindeks

Lys beveger seg raskest i vakuum, omtrent 300 000 km/s. I et materiale som vann eller glass beveger det seg saktere. Den refraktive indeksen n sammenligner de to:

n = c / v

Luft er svært nær 1, vann er omtrent 1,33, vanlig glass omtrent 1,5, og diamant er over 2. En større n betyr lavere lysfart og sterkere bøyning.

Når en stråle krysser fra ett materiale til et annet i en vinkel, bremser den ene siden av bjelken før den andre, og bjelken dreier. Det er brytning. Noe av lyset blir reflektert ved den samme grensen, så et vindu lar deg både se gjennom det og viser en svak refleksjon.

Snells lov

Den nøyaktige regelen for brytning er Snells lov:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Hver vinkel måles fra normalen i sitt eget materiale. La oss si at lys går fra luft (n omtrent 1,00) inn i vann (n omtrent 1,33) i en vinkel på 45°. Da er sin θ₂ = sin 45° ÷ 1.33, som er omtrent 0,53, og vinkelen blir nær 32°. Strålen har bøyd seg nærmere normalen.

Mot eller bort fra normalen?

Du trenger ikke regne for å vite hvilken vei den går:

• når strålen går inn i et tettere materiale (høyere n), bøyes den mot normalen;
• når strålen går inn i et mindre tett materiale (lavere n), bøyes den bort fra normalen.

Banene kan reverseres, så en stråle som går ut igjen, følger den samme veien i motsatt retning. Hvis vinkelen i det tettere materialet blir stor nok, kan lys som forlater det, ikke brytes i det hele tatt, men blir fullstendig reflektert i stedet. Denne effekten kalles total intern refleksjon, og fiberoptikk er avhengig av den.

Brytning i hverdagen

Brytning forklarer flere velkjente illusjoner:

• Et basseng ser grunnere ut enn det er. Lys som forlater vannet, bøyes bort fra normalen, slik at bunnen ser ut til å være høyere. Når du ser nesten rett ned, er den tilsynelatende dybden omtrent den virkelige dybden delt på n.
• Et sugerør ser brukket ut ved vannoverflaten fordi delen under vann sees gjennom lys som er bøyd.
• En mynt som er skjult bak kanten på en kopp, kan bli synlig når du tilsetter vann, fordi lysstrålene da bøyes over kanten.
• En luftspeiling på veien er ikke en vannpytt i det hele tatt. Lys fra himmelen bøyes oppover gjennom lag med varm, tynnere luft og når øyet ditt nedenfra.

Legg merke til at alle disse fenomenene følger den samme Snells lov, bare brukt på forskjellige steder.

Vanlige misforståelser

• «Lys går saktere fordi det treffer atomer og stopper.» Bølgen blir forsinket når den beveger seg gjennom materialet. Når den forlater materialet, går den tilbake til full fart.
• «Et speil snur venstre og høyre.» Det snur foran og bak. Forvirringen om venstre og høyre kommer av hvordan du forestiller deg at du snur deg rundt.
• «Bøyningen avhenger av tykkelsen på glasset.» Den avhenger av vinkelen og de to brytningsindeksene, ikke av tykkelsen, som bare forskyver en lysstråle sidelengs.
• «Et virtuelt bilde er innbilt.» Det er bare et punkt som lyset ser ut til å komme fra. Øyet ditt ser det helt fint.

Slik kan du utforske dette i laboratoriet

I laboratoriet Lys og optikk kan du rette ekte lysstråler mot speil og glassblokker og måle vinklene. Slik kommer du gjennom den første gratis verdenen:

1. Bekreft refleksjonsregelen i Refleksjonsloven.
2. Se det skjulte bildet i Plane speil og bilder.
3. Få lyset til å gå saktere i Brytningsindeks, og bruk deretter Snells lov.
4. Forutsi retninger i Mot eller bort fra normalen, og forklar deretter bassenger i Tilsynelatende dybde.

Laboratoriet er en forenklet undervisningsmodell med ideelle, flate overflater og én bølgelengde for lyset, slik at tallene blir oversiktlige. Ekte glass sprer fargene litt, men det er en historie for de senere verdenene.